모터가 지배하는 미래 車

글│홍 정 표 교수<hongjp@hanyang.ac.kr> 한양대학교 자동차공학과
그림 1은 자동차 내에 적용되는 전동기를 나열한 것이다. 의장, 새시, 차체 부분뿐만 아니라 엔진에 이르기까지 다양한 전동기가 차량 내에 장착되고 있다.
그림 2는 각 차종별로 전동기 적용 비율을 정량적으로 나타낸 도표다. 소형차와 준중형차에서 대략 15%를 차지하던 전동 시스템 개수는 고급 승용차로 가면서 28%를 차지하고 있다. 차가 고급화될수록 전동기 사용량이 증가하고 있는 것이다.
한편 HEV의 경우 전동기 시스템은 전체 시스템의 약 47%를 차지한다. 이처럼 자동차가 진화할수록 전동 시스템이 차지하는 비율이 급격히 늘고 있다.
이 글에서는 미래형 자동차의 개발 목적에 대해 언급하고 미래형 자동차의 종류와 발전 방향에 대해서 살펴본다. 그리고 미래형 자동차에서 큰 비중을 차지하는 전동기 시스템 중 핵심 부품인 전동기의 종류와 특징에 대해 소개하고 향후 자동차 부품용 전동기의 개발 방향에 대해 살펴본다.

하이브리드 카

그린카 개발과 동향
세계는 20세기 말부터 대기오염과 지구온난화, 그리고 화석 에너지 고갈에 대해 심각하게 고민하기 시작했다. 현재 배기가스 규제 강화, 동력 시스템의 연비 개선, 대체 에너지 개발 노력의 일환으로 HEV, FCEV, 전기자동차(EV) 등이 연구되고 있다. HEV는 이미 상용화가 이뤄졌다. 그림 3은 차량의 친환경 패러다임을 보여주고 있다.
표 1은 각 자동차별 배기가스와 연비, 그리고 차량 가격 등을 비교한 것이다. 가솔린, 디젤, LPG와 같은 내연기관 자동차의 경우 이미 많은 개발 및 상용화가 이뤄졌기 때문에 차량 가격이 낮지만 유해 가스와 연비, CO2 배출량 측면에서 친환경 자동차에 비해 좋지 않음을 볼 수 있다.
미래형 자동차인 FCEV, EV, 태양열 자동차의 경우에는 환경적인 측면에서 매우 뛰어난 성능을 보이고 있지만 차량 가격 측면에서 아직 수요자의 욕구를 만족시키지 못하고 있다. 그러나 HEV의 경우 환경적인 측면에서 FCEV나 EV와 같은 좀 더 미래의 자동차보다는 성능이 떨어지지만 가솔린차와 같은 전통적인 내연기관 차보다는 좋은 성능을 보여준다. 또 가격적인 측면에서도 내연기관 자동차와 유사한 수준으로 내려갈 것으로 기대돼 경제, 환경 측면 모두에서 경제성을 확보할 전망이다.
 
HEV의 구동 계통 구조
HEV는 하나의 동력원이 아닌 두 가지 이상의 동력원을 가지고 차량을 구동시키는 자동차다.
그림 4는 HEV의 엔진 구성이다. 크게 직렬형, 병렬형, 복합형이 있다. 직렬형 HEV의 경우, 엔진은 발전기를 구동하는 역할만 수행하고 발전된 전력은 배터리에 저장되거나 전동기를 구동시켜 차량을 움직이게 한다. 전기차에서 필수적인 외부 충전을 제거한 형태로 버스와 트럭과 같은 대형차에 주로 채용된다.
직렬형 HEV는 배터리 문제만 해결된다면, EV로 바로 이용할 수 있는 장점이 있다. 현대자동차의 카운티 버스, 토요타의 미니버스가 적용하고 있다. 우리나라에서는 승용차에 적용된 사례는 없지만 국방용 로봇인 견마 로봇에 적용돼 연구가 진행되고 있다.
병렬형 HEV는 직렬형과는 달리 구동력을 엔진에서 주로 담당하며 전동기는 간헐적으로 엔진의 부하를 분담하고 회생 및 충전 모드에서 발전기로 작동한다. 그러나 이 병렬형 HEV는 주행중 배터리 충전에 불리한 단점이 있다. 주로 혼다에서 병렬형 하이브리드 방식을 채택하고 있다. 혼다는 Insight, Civic, Accord에 병렬 방식을 적용하여 시판하고 있다. 토요타에서도 Estima, Alphard에 적용했고 국내에서는 현대자동차가 LPI HEV를 출시할 계획이다.
복합형 HEV는 직렬식과 병렬식의 장점을 결합한 방식이다. 전동기와 발전기가 독립적으로 설치돼 있으며 전동 모드의 전동기는 차 구동을 하고 회생 모드에서는 발전기로 작동해 배터리에 전력을 충전한다.
차량 주행중에는 전용 발전기를 이용해 전동기 구동에 필요한 전력을 발전하고 배터리를 충전한다. 이 방식은 토요타에서 주로 채택하고 있으며 프리어스, RX400H, High Lander, Camry 등에 적용돼 시판되고 있다.
HEV에서 전동기 및 발전기의 역할은 매우 중요하다. 전동기와 발전기의 고효율화는 곧 연비 개선으로 이어지기 때문에 자동차 메이커들은 이들의 효율 개선에 많은 노력을 기울이고 있다.
복합형 HEV
복합형 HEV의 주행 패턴을 살펴봄으로써 전동기와 발전기가 차내에서 어떻게 작동하는지 보자. 그림 5는 HEV의 운전 패턴을 보여준다. 시동, 일반 주행, 등판, 내리막길, 정차의 다섯 가지 운행 패턴이 있다. 우선 초기 시동 시에는 차량이 일정한 속도에 도달하기까지 전동기로 구동한 후 엔진을 시동한다. 이 시동 방법은 저속에서 효율이 낮은 엔진의 운전 영역을 회피하기 위함이다. 일반 주행은 정속 주행, 가속 및 등판, 그리고 감속 및 제동으로 나눈다. 정속 주행의 경우 엔진으로만 차량을 구동하는데, 이 때 엔진은 최고 효율 영역에서 운전하게 된다. 이와 동시에 발전기에서는 배터리에 충전되는 전력을 생산하게 된다.
가속 및 등판의 경우 엔진과 전동기가 동시에 사용되는데, 여기서 전동기는 엔진의 비효율 운전 영역을 보상하기 위해 구동한다. 감속 및 제동 시 기존 내연기관만을 사용하는 가솔린차 또는 디젤차에서 기계적인 브레이크를 통해 제동하고 운동 에너지는열로써 손실되는 것과 달리, HEV의 경우 감속 시 운동 에너지가 전동기의 발전 모드 운전을 통해 전력을 생산하고 배터리를 충전한다.
마지막으로 차량 정차 시 엔진은 공회전이 없는 아이들 스톱(idle stop)을 한다. 이것은 도심 주행 시 연비 개선에 탁월한 효과를 제공한다. HEV는 운행 패턴에 따라 엔진과 전동기 및 발전기를 적절한 시기에 동작시킴으로써 차량 연비 개선을 실현한다.